纤维表面改性对酚醛树脂麻复合材料性能的影响

纤维表面改性对酚醛树脂麻复合材料性能的影响

1麻纤维增强复合材料的研究天然纤维具有密度低、比性能高、价格低、资源丰富、可替代等优点。近年来，天然纤维原材料引起了人们的关注，成为全球研究的热点。其中,麻纤维由于纤维素含量高、强度高,属于高性能天然植物纤维,许多研究机构开展了对麻纤维增强复合材料的研究。麻类纤维作为复合材料的增强体,由于麻纤维本身的特殊性,较容易利用的形式是麻纤维毡和短切纤维。麻纤维毡增强复合材料的性能研究以往相对较多,本文以短切苎麻纤维及剑麻纤维为增强材料,通过BMC模压工艺、预浸料模压工艺来研究其性能。麻纤维的主要成分为纤维素,与基体树脂的相容性并不好,作为增强材料使用,须对其进行表面处理,改善纤维与基体树脂的相容性。笔者采用偶联剂对纤维进行了表面处理,比较分析了表面处理前后苎麻、剑麻纤维增强不饱和聚酯及酚醛树脂复合材料的力学性能。2试验部分试验用主要原材料见表1。试验仪器和设备见表2。2.1偶联剂ph值的调整取适量的水(约为麻纤维重量的2倍),用甲酸调整PH值到3~4,搅拌均匀后,按1%浓度加入硅烷偶联剂A-151,持续搅拌2h,直到偶联剂溶解完全。使用前用5%的氨水将溶液的PH值调整到8~10。若偶联剂为KH-550,则直接将偶联剂溶于水中搅拌均匀即可使用,不需调节PH值。取短切苎麻、剑麻纤维浸入上述配好的处理液中,浸泡30min,取出挤干,然后均匀散开置于钢丝网屏上,放入80℃烘箱中鼓风干燥24h,将烘干的麻纤维在塑料袋中封存待用。2.2麻纤维的增稠处理按表3所示比例配制好树脂糊,将树脂糊和短切麻纤维按一定比例放入小型捏合机中搅拌捏合均匀,用玻璃纸和PE薄膜包好,放入35~40℃烘箱中进行24~48h增稠处理后取出备用。2.3切麻纤维的制备将镁酚醛树脂和工业酒精按60∶40的比例混合均匀,将树脂溶液和短切麻纤维按1∶1(质量比)倒入捏合机中捏合均匀,将捏合后的预混料逐渐加入撕松机中撕松,将撕松后的预混料均匀铺放在网屏上于室温下晾干,在80℃烘箱中烘干20min,烘干后的预混料封存在塑料袋中待用。2.4模具温度和压力对模具力学性能的影响对于BMC料,直接称取一定质量的物料,放入加热的试样模具中压制。成型温度为140~145℃,成型压力7MPa,成型时间10min。对于酚醛预混料,在压制前预混料须放入80℃烘箱中预热20~30min,然后放入模具中压制。模具温度为135~140℃,保压时间15min,成型压力30MPa。试样在室温下置放24h后,按国家有关标准在电子万能试验机和冲击试验机上测试有关力学性能。破坏后的试样断面经喷金处理后用SEM观察其表面形貌。3结果与讨论3.1偶联剂a-133的影响表4是偶联处理前后不同种类短切麻纤维增强不饱和聚酯复合材料的力学性能。从表4中可以看出,不论是苎麻还是剑麻短切纤维,经偶联处理后其复合材料的力学性能都有不同程度的提高,有些性能提高幅度在60%以上。就所选用的树脂基体而言,纤维用A-151处理效果更好一些。比较图1(a)和(b)可以看出,剑麻纤维经偶联剂A-151处理后,纤维表面粘附一层树脂基体,纤维与树脂的相容性得到改善,从而使复合材料的力学性能得到提高。未处理的剑麻纤维表面比较光滑,树脂悬挂很少,纤维和树脂基体的相容性较差,导致复合材料的力学性能相对较差。表5是偶联处理前后剑麻纤维增强酚醛树脂复合材料的力学性能。从表中数据可以看出,剑麻纤维经过偶联处理后,除弯曲模量略有下降外,复合材料的其他力学性能都有不同程度的提高,提高幅度为10~30%。从图2中可以看到,未经处理的复合材料界面粘结性较差,表面粘附的基体树脂较少;而经KH-550处理后,界面附近的树脂出现明显的被拉伸状,此时剑麻纤维与树脂基体的界面粘结力大于酚醛树脂基体的破坏力,因而导致破坏主要发生在树脂基体内部。因此,KH-550偶联处理大大改善了复合材料的界面粘结性。3.2偶联剂对复合材料吸水性的影响按纤维增强塑料吸水性试验方法(GB1462-88),对苎麻及剑麻增强复合材料的吸水率进行测试,发现麻纤维经过偶联剂处理后,复合材料的吸水率有所降低。从表6中的数据可以看出,麻纤维经过偶联剂处理后,复合材料吸水性降低率在10~20%之间。由此可知,偶联处理改善了纤维和基体的粘结性能,纤维能够很好的被树脂基体包覆,微孔减少,水分子进入复合材料的通道减少,复合材料的吸水率得以降低。3.3提高天然纤维含量天然纤维的密度小,与玻璃纤维相比,同样的重量,其体积较大,且不易浸透,与树脂糊混合起来比较困难。从表7看出,随着纤维含量的提高,复合材料的主要力学性能均有提高,因此尽可能地提高天然纤维在复合材料中的含量,对其复合材料力学性能的提高将起到重要作用。从图4,5与片可以看出,剑麻纤维为粗纤维,直径约150~200μm,每根纤维由数根中空细管组成,纤维的表面为鳞次状,凸凹不平。与树脂基体结合后不易剥离。苎麻纤维为细纤维,直径约为20~40μm,纤维表面较光滑,与树脂基体结合后剥离相对较容易。结合表4数据,同样纤维含量的复合材料,剑麻纤维的高于苎麻纤维的。单从纤维的抗张强度上来讲,剑麻纤维的抗张强度比苎麻纤维的要略小一些,可见纤维本身状态的不同是造成两种麻纤维复合材料强度差别较大的主要原因。4纤维复合材料的力学性能通过以上研究可以得出如下结论:(1)苎麻及剑麻纤维经过偶联处理后改善了与树脂基体的相容性,加大了与树脂基体的界面粘结强度,使复合材料的力